JP2009170586A - 電子部品認識方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着した方形部品の形状精度が悪い場合でも、並行光束による部品認識を高精度にでき、搭載精度と共に上方からの検査精度を向上する。
【解決手段】吸着ノズル１６に吸着された電子部品Ｐを、並行光束を投光する投光手段と、該並行光速を受光する受光手段との間の遮光高さに位置決めすると共に、該吸着ノズルを軸中心に回転させながら前記受光手段により遮光幅を検出し、遮光幅に２つの極小値がそれぞれ検出される回転角度から、吸着された電子部品の基準軸からの傾きと、ノズル中心からの部品中心の位置ずれ量を検出する部品認識を行い、その結果に基づいて該電子部品の搭載位置を補正する電子部品認識方法において、前記部品認識を、複数の異なる部品高さＡ、Ｂで行い、各部品高さで行った部品認識の結果に基づいて、吸着された電子部品の下面Ｘ１又は上面の位置Ｘ２を推定する。
【選択図】図８

Description

本発明は、電子部品認識方法及び装置、特に吸着ノズルに吸着された電子部品を高精度に認識し、基板への搭載精度を向上する際に適用して好適な電子部品認識方法及び装置に関する。

従来より、プリント基板上の決められた位置に、指定された電子部品を自動的に搭載するために表面実装装置が用いられている。

このような表面実装装置では、搭載ヘッドによりＸ，Ｙ，Ｚの三次元方向に移動可能な吸着ノズルを備えており、その吸着ノズルによって吸着した部品を、吸着ノズルの中心を基準にしてプログラムされた搭載動作によって、基板上の指定された位置へ正確に搭載する。

そのため、一般にその平面形状が正方形あるいは長方形のＩＣ等の方形の電子部品については、吸着ノズルに吸着した部品の基準軸（Ｘ軸又はＹ軸）に対する傾き及び位置を正確に測定して、規定の向きに対する傾き及び吸着ノズルの中心と部品の中心との位置ずれを補正している。

その際に適用される測定原理を、図１を用いて説明すると、レーザダイオード１によって発光させたレーザ光を、コリメータレンズ２を通して平行（並行）光束６にし、その平行光束６をコリメータレンズ２と間隔を置いて対向配置したＣＣＤラインセンサアレイ３によって受光させるようにし、その平行光束６内に吸着ノズル４に吸着された部品５を位置させて、吸着ノズル４の回転によって矢印方向に回転させ、その影の幅（遮光幅）を測定する。

このレーザ光による平行光束６の幅及びＣＣＤラインセンサアレイ３の有効検出長を、部品５の対角線の長さより大きくしておけば、部品５の回転によってＣＣＤラインセンサアレイ３で検出される影の幅Ｗが変化し、部品５の対向する二辺が平行光束の光軸Ｌｃと平行になった時に極小になる。

したがって、影の幅が極小になった時点までの部品５、即ち吸着ノズル４の回転角度が、平行光束６の光軸Ｌｃあるはそれに直交する方向に対する部品５の傾き角度に対応し、この時の影の中心位置が部品５の光軸に直交する方向の中心位置に相当するので、それらを容易に且つ正確に測定することができる。

又、特許文献１では、上述したような平行光束を用いて吸着ノズルに吸着された部品の傾き及び位置を測定する方法を更に改善し、測定時間を短縮した技術が提案されている。

以上詳述したような吸着部品の角度や位置のずれを測定する従来のレーザによる部品認識では、生産プログラムで指定された１つの認識高さ（レーザ高さ）で行ない、その認識結果に基づいて搭載座標の補正を行なっていた。

ところで、近年、表面実装機で実装するチップ素子（電子部品）は０６０３と呼ばれる０．６ｍｍ×０．３ｍｍの大きさや、それより小さい０４０２等のように小型化してきており、それに伴い搭載位置に高い精度が要求されるようになってきており、その結果、大型部品に対する搭載精度の要求も高くなってきている。

特許第２７４６８１０号公報

しかしながら、小型部品であっても形状の歪みが存在することがある上に、特に１辺が２．０ｍｍ×１．２ｍｍの２０１２、１６０８といったサイズの大きい素子部品では形状が安定しないことが多い。

即ち、表面実装機による電子部品の搭載精度を評価する場合、図２（Ａ）に示すような、各コーナの辺が直交している形状精度の良い電子部品は問題ないが、部品形状の精度が悪い場合には、搭載精度の誤差につながることがある。

例えば、部品の搭載が完了した完成基板を検査する工程で測定器により部品搭載位置を計測する場合は、上方から画像認識するために部品の上面を認識する。これに対し、実装機において部品を搭載する時は、レーザ認識では部品の高さ方向中間の中面を、ベース上の部品認識カメラでは下面を、それぞれ認識して搭載位置の補正を行なうため、その認識面の高さの違いによる誤差が発生する。

即ち、図２（Ｂ）のように部品の断面形状が平行四辺形のようになっているような精度の悪い場合であれば、図３に上方から見た場合の上・中・下の各面での認識による部品中心の位置を×印の交点で表わすように、実線で示した上面と破線で示した中面と下面では、それぞれ中心位置がずれることになるが、従来はこれを考慮していなかったために搭載誤差になっていた。

又、半田実装する電子部品の場合は、部品下面の電極と基板上に形成されている半田パターンが完全に重なるように搭載することが望ましいが、同様に素子の形状精度が悪い場合には、部品の高さ方向中心（中面）で認識した場合と下面で認識した場合では、前記図３から明らかなように認識結果にずれが生じ、それが搭載精度に影響を与えてしまうことになるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、吸着ノズルに吸着した方形部品の形状精度が悪い場合でも、並行光束による部品認識を高精度に行なうことができ、基板上への搭載精度と共に、上方からの搭載部品の検査精度をも向上することができる電子部品認識方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は、吸着ノズルに吸着された電子部品を、並行光束を投光する投光手段と、該並行光速を受光する受光手段との間の遮光高さに位置決めすると共に、該吸着ノズルを軸中心に回転させながら前記受光手段により遮光幅を検出し、遮光幅に２つの極小値がそれぞれ検出される回転角度から、吸着された電子部品の基準軸からの傾きと、ノズル中心からの部品中心の位置ずれ量を検出する部品認識を行い、その結果に基づいて該電子部品の搭載位置を補正する電子部品認識方法において、前記部品認識を、複数の異なる部品高さで行い、各部品高さで行った部品認識の結果に基づいて、吸着された電子部品の下面又は上面の位置を推定することにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、吸着ノズルに吸着された電子部品を、並行光束を投光する投光手段と、該並行光速を受光する受光手段との間の遮光高さに位置決めすると共に、該吸着ノズルを軸中心に回転させながら前記受光手段により遮光幅を検出し、遮光幅に２つの極小値がそれぞれ検出される回転角度から、吸着された電子部品の基準軸からの傾きと、ノズル中心からの部品中心の位置ずれ量を検出する部品認識を行い、その結果に基づいて該電子部品の搭載位置を補正する電子部品認識装置において、前記部品認識を、複数の異なる部品高さで行う制御手段と、各部品高さで行った部品認識の結果に基づいて、吸着された電子部品の下面又は上面の位置を推定する演算手段とを備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。

本発明によれば、吸着ノズルに吸着した電子部品を並行光束の遮光幅に基づいて認識する部品認識を、少なくとも異なる２つの部品高さで実行し、各部品高さにおける認識ずれに基づいて、吸着部品の下面又は上面の位置を補正により推定できるようにしたので、下面と上面との間にずれがある電子部品でも、基板上に高精度に搭載することができると共に、搭載後の電子部品の上面を画像認識する検査工程でも、上面と下面のずれを考慮することができるので、搭載された電子部品を高精度に検査することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図４には、本実施形態の表面実装機が備えている、図示しないＸ軸モータ及びＹ軸モータにより平面方向に移動されるヘッドユニット１０を示す。

このヘッドユニット１０は、Ｚ軸モータによる上下駆動方向及びθ軸モータによる軸中心の回転動作が可能で、下端に吸着ノズルを装着可能な複数のシャフト１２と、該吸着ノズルにより吸着された電子部品の吸着状態を認識するために、該部品の位置ずれ、角度ずれをレーザによる部品認識により検出するレーザアラインセンサ１４とを備えた構成になっている。

このレーザアラインセンサ１４では、図５に斜め上方から見た状態を拡大して示すように、シャフト１２に装着された吸着ノズル１６により吸着保持された電子部品Ｐに、前記図１に示した場合と同様の原理により、横方向からライン状のレーザ光（並行光束）を当てた際に、そのレーザ光を遮る影の幅（遮光幅）を図示しない受光部で読取ることにより、該部品の吸着位置、角度、幅を光学的に認識する。

図６にブロック図を示すように、本実施形態のヘッドユニット１０の制御系は、搭載されているシャフト１２を上下動させるＺ軸モータ１８と、軸回転させるθ軸モータ２０と、該ヘッドユニット１０を平面移動させるＸ軸モータ及びＹ軸モータからなるＸＹロボット２２と、前記レーザアラインセンサ１４から入力される受光部の遮光幅と、θ軸モータ２０のロータリエンコーダから入力されるエンコーダ信号等からレーザによる部品認識を行なうレーザ認識処理装置（演算手段）２４と、ＸＹロボット２２及びレーザ認識処理装置２４等を制御する制御用ＣＰＵ（制御手段）２６と、各種データを保存する記憶装置２８とを備えた構成になっている。

本実施形態では、部品の認識高さ位置を変更して複数回のレーザ認識を行い、認識高さとその認識結果を取得する。取得された複数の認識結果のバラツキの程度から部品形状のゆがみ（歪）を検出する。

そして、その認識結果のバラツキを、予め設定した閾値と比較してゆがみの有無の判定を行う。

また、高さと認識結果の関係から、任意の高さ位置での認識結果を推定することが可能となることから、下面又は上面における認識結果も推定できる。ゆがみのある部品の場合には、従来は予め指定されたレーザ高さ位置だけで認識補正していた搭載座標を、ゆがみ形状を考慮することにより精度の高い基板上への部品下面の搭載を行うことができる。

但し、ゆがみ検出のために複数回の部品認識を行うことはタクトロスになる。通常の電子部品は、メーカでの製造LOT毎に一定の品質が保たれており、部品精度のばらつきの大きい部品と小さい部品が予め分っている。部品精度のばらつきの大きい部品では毎回ゆがみ検出を行う必要があるが、ほとんど無い部品では毎回ゆがみ検出を行う必要はない。

そこで、実装装置への部品供給後に一定回数のゆがみ検出を行った結果、バラツキが小さいと判断できた場合は、次の部品に交換をするまでゆがみ検出動作を行わないようにしてもよい。又、予め精度が良くゆがみの無い部品であることが分かっている場合であれば、生産プログラムで指定された部品についてのみ検出を行うことでタクトロスが最小限になるようにしてもよい。

次に、本実施形態の作用を、図７のフローチャートに従って説明する。

生産を開始する前に、予め生産プログラムの部品種類に、精度が良いために補正の必要がない特定部品以外は、オプションで設定できるようになっているＯｐ計測フラグを付加しておく。

生産を開始すると、まずは部品を吸着し（ステップ１）、該部品を生産プログラムで指定されているレーザ高さに位置決めし、レーザセンサによって部品吸着チェックを行ない、部品の有無を検出する（ステップ２）。次いで、予め部品種類が標準計測とＯｐ計測のいずれに設定されているかをＯｐ計測フラグにより確認する（ステップ３）。

Ｏｐ計測部品で歪み検出を行なう場合（ステップ３でＹＥＳ）は、この部品の指定されたレーザ高さをメモリに蓄えて、レーザ認識高さが部品高さの下から１／３になるようにＺ軸モータを動作した後、１回目のレーザ認識を行なう（ステップ４）。その認識結果をメモリに蓄えて、今度は部品高さの上から１／３になるようにして、２回目のレーザ認識を行なう（ステップ５）。

この異なる２つの高さでのレーザ認識結果から部品の歪みの有無を判断する（ステップ６）。部品が前記図２（Ａ）のように精度の良いものであれば、２回の認識結果にばらつきが発生することはないが、同図（Ｂ）のように歪んでいる場合はばらつきが発生することになる。そのばらつきの大きさから歪みを判断する（ステップ７）。又、ここでの２回の認識結果を、次回以降の吸着部品で歪み検出を実行するか否を判断するためのデータとしてメモリに保存する。

そして、歪み検出でばらつきが設定した許容範囲を超えている場合はばらつきがあると判断し、上記２回の認識結果から部品上面の高さでの認識結果を推定する（ステップ８）。この推定値を用いて上面を吸着しているノズルの中心を基準に搭載位置を補正し（ステップ９）、補正して求めた搭載位置に該部品を搭載する（ステップ１０）。

上記ステップ７からステップ９で実行する歪み判定と補正値の推定について、図８を用いて具体的に説明する。ここでは、便宜上部品がＸ方向のみに歪んでいるものとする。

部品の歪みは上下２箇所の認識高さＡ、Ｂにおける部品認識結果Ｃ１、Ｃ２から判断する。認識結果はノズルの中心Ｎｃと各認識高さでの部品の実測中心位置ａ、ｂとのずれ量である。Ｃ１とＣ２の差が閾値（部品寸法と所定のパラメータから予め求めておく）よりも大きければ歪み有りと判断する。

歪みが無いと判断した場合、補正に用いる認識結果（ノズル中心から部品中心までの距離）はＣ１とＣ２の平均とする。即ち、補正値＝（Ｃ１＋Ｃ２）／２である。

歪みがある場合、部品の下面又は上面における推定補正値は、部品の高さをＨとし、認識高さＡ＝１Ｈ／３、認識高さＢ＝２Ｈ／３として、以下のように求める。

部品下面の推定補正値：
Ｘ１＝（Ｃ１＋Ｃ２）／２−（Ｈ／２）×（Ｃ２−Ｃ１）／（Ｂ−Ａ）
部品上面の推定補正値：
Ｘ２＝（Ｃ１＋Ｃ２）／２＋（Ｈ／２）×（Ｃ２−Ｃ１）／（Ｂ−Ａ）

一方、前記ステップ３で標準計測部品が吸着されているＮＯの場合には、決められた高さでレーザ認識を行ない（ステップ１１）、同様にステップ１０で部品を搭載する。

又、前記ステップ７の歪み検出でばらつきが許容範囲内である場合は、精度の良い部品であると判断して、各レーザ高さでの認識結果の平均値を搭載位置の補正のために用いる。そして、各生産プログラムで使用する部品に対応するＯｐフラグを全てクリアし（ステップ１２）、レーザ認識結果を基に補正した搭載位置に部品を搭載する（ステップ１０）。

このようにすることにより、基板への搭載時のレーザ認識でも、基板搭載後に搭載精度を評価する場合でも、部品の上面から認識を行なうことが可能となり、安定した精度として検査が可能になる。又、前記ステップ８の認識結果の推定を、部品下面の高さで行なうことにより、基板搭載点と部品の下面が一致するような精度の良い搭載が可能となる。

電子部品のレーザ認識の原理を示す説明図 電子部品の良・不良のイメージを示す模式図 不良部品の高さ方向における中心の位置ずれを示す説明図 ヘッドユニットの要部を示す斜視図 レーザアラインセンサと吸着部品の関係を拡大して示す斜視図 ヘッドユニットの制御系の概要を示すブロック図 実施形態の作用を示すフローチャート 電子部品の歪み判定と補正値の推定を示す説明図

符号の説明

１０…ヘッドユニット
１２…シャフト
１４…レーザアラインセンサ
１６…吸着ノズル
１８…Ｚ軸モータ
２０…θ軸モータ
２２…ＸＹロボット

Claims (2)

1. 吸着ノズルに吸着された電子部品を、並行光束を投光する投光手段と、該並行光速を受光する受光手段との間の遮光高さに位置決めすると共に、該吸着ノズルを軸中心に回転させながら前記受光手段により遮光幅を検出し、遮光幅に２つの極小値がそれぞれ検出される回転角度から、吸着された電子部品の基準軸からの傾きと、ノズル中心からの部品中心の位置ずれ量を検出する部品認識を行い、その結果に基づいて該電子部品の搭載位置を補正する電子部品認識方法において、
   前記部品認識を、複数の異なる部品高さで行い、
   各部品高さで行った部品認識の結果に基づいて、吸着された電子部品の下面又は上面の位置を推定することを特徴とする電子部品認識方法。
2. 吸着ノズルに吸着された電子部品を、並行光束を投光する投光手段と、該並行光速を受光する受光手段との間の遮光高さに位置決めすると共に、該吸着ノズルを軸中心に回転させながら前記受光手段により遮光幅を検出し、遮光幅に２つの極小値がそれぞれ検出される回転角度から、吸着された電子部品の基準軸からの傾きと、ノズル中心からの部品中心の位置ずれ量を検出する部品認識を行い、その結果に基づいて該電子部品の搭載位置を補正する電子部品認識装置において、
   前記部品認識を、複数の異なる部品高さで行う制御手段と、
   各部品高さで行った部品認識の結果に基づいて、吸着された電子部品の下面又は上面の位置を推定する演算手段とを備えたことを特徴とする電子部品認識装置。

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